一种管道最小弯曲半径的测量装置及其使用方法

1.本发明属于最小弯曲半径测量技术领域，涉及一种柔性管道的最小弯曲半径的测量装置及其使用方法。


背景技术：

2.海洋管道是海洋油气资源开发的重要装备。海洋管道包括钢管与柔性管，钢管全部是有金属材料制造而成，柔性管则是由金属材料和复合材料共同组成。柔性管柔性优异，可承受较大的弯曲变形，这使得管道能够适应复杂的海况，并且产生的应力相对较小。因此，弯曲性能是柔性管道的重要指标，管道的弯曲性能通过最小弯曲半径衡量。除此之外，当采用卷管法对软管进行储存和铺设时，弯曲的管道可能由于部分位置变形过大而发生屈服，产生最小弯曲半径失效。
3.现有的海洋柔性管道最小弯曲半径校核过程是，根据规范中要求的数值进行试验，若试验完成后管道并未发生塑性变形和明显的破坏，并且能够恢复到试验前的状态，则视为该柔性管道满足最小弯曲半径规范的要求。然而该方法不能直接测出最小弯曲半径的确切数值，因此不能为后续设计提供弯曲试验数据。
4.为此本发明提出了一种测量管道最小弯曲半径装置，通过该装置只须进行一次测量就可测出软管的最小弯曲半径的准确数值。


技术实现要素：

5.针对现有的技术的需求，本发明提供一种最小弯曲半径测量装置，以实现准确测量最小弯曲半径的功能。该装置结构可靠，设计巧妙，能完成现实试验过程中的任务。
6.为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
7.一种管道最小弯曲半径的测量装置，包括双层卷曲轨道总成、头部驱动总成、软管固定锁具总成。
8.所述的双层卷曲轨道总成包括上层板1、下层板2、滚轮轨道3、齿轮轨道4。所述上层板1、下层板2为双层卷曲轨道总成的主体结构，上层板1和下层板2断面轮廓线为共心的圆弧。所述的上层板1和下层板2的两个端部通过连接板进行连接，即上层板1、下层板2和两端的板件构成一个四面封闭、具有弧度的中空条状结构。所述的上层板1中间位置设有缝隙，临近中部缝隙的位置处安装滚轮轨道3、齿轮轨道4，与上层板1中心缝隙相邻的上侧设有左右对称的滚轮轨道3，与缝隙相邻的下侧设有左右对称的齿轮轨道4(齿轮轨道4靠近下层板2内表面)，上层板1的中部缝隙为滚轮轨道3的轨迹线。所述的上层板1和下层板2的两端连接板上刻有弯曲半径值。所述的滚轮轨道3的轨迹线在初始一段较长的距离为直线，中心内部为等速螺线，方程为ρ＝αθ，该曲线从中心沿轨迹线长度方向曲率半径越来越大，中心曲线段曲率半径最大的一端和直线一端采用一段与两线端部相切的曲线连接，使得曲线平滑过渡。
9.进一步的，所述的上层板1靠近中间缝隙处的板厚度变大，在变化位置处设有板件
进行支撑，即该板件位于双层卷曲轨道总成内部，连接上层板1、下层板2。
10.所述的头部驱动总成用于带动整个软管缓慢向前移动，其包括电刷片5、头部齿轮6、电动机7、电线架8、电刷滚轮9、弧形托板14、头部工型传动杆15、头部滚轮16、头部轴承17。所述的两个齿轮轨道4的外侧均设有电刷片5。所述的电动机7中心轴处伸出两个转轴，两转轴分别连接左右头部齿轮6，两个头部齿轮6与两个齿轮轨道4配合。所述的电动机7机身中部：在齿轮轨道4一侧安装电线架8，在齿轮轨道4背面安装头部工型传动杆15，具体的：所述的电动机7临近齿轮轨道4侧的机身中部与类“t形”电线架8的短轴连接，t形电线架8的长轴横放于两个齿轮轨道4上方，其两端各安装一个与电刷片5接触的电刷滚轮9，即短轴一端与电动机7机身中部固接，另一端与长轴中部固接。所述的电线架8用于给电动机7供电，电动机7通电后带动两个头部齿轮6转动。所述的电动机7机身中部通过头部工型传动杆15与头部轴承17和弧形托板14连接。具体的：头部工型传动杆15的横梁两端通过头部轴承17与头部滚轮16连接，两个滚轮在滚轮轨道3移动。
11.所述的软管固定锁具总成包括齿轮10、轴承11、工型传动杆12、滚轮13。所述的齿轮10与底面齿轮轨道4咬合，两个齿轮10的轴线处各设有一个轴承11，工型传动杆12的下横杆安装在两个轴承11之间。所述的工型传动杆12的上横杆端部连接两个滚轮13，之间的连接方式同样采用轴承11。所述的工型传动杆12的上方设有接弧形托板14，工型传动杆12和弧形托板14之间由三根短杆焊接成一体，弧形托板14上设有左右对称的几组绳索绑定接头，用来绑定绳索两端。
12.进一步的，所述的电线架8的短轴为斜向下的方形管，长轴为水平的圆形管，电线从中穿过，连接到电刷滚轮，电线架结构焊接而成。
13.双层卷曲轨道总成作为结构的主要构架，成卷曲状放置于水平地面。头部驱动总成作为拉动管道的动力装置，通过工型传动杆连接的齿轮和滚轮卡在双层卷曲轨道总成轨道上，实验前位于轨道直线段与等速螺线交点位置。软管固定锁具总成使得管道紧贴双层卷曲轨道总成外表面，强制管道沿着轨道滑动，同样通过自身齿轮和滚轮卡在双层卷曲轨道总成轨道上，共有7个，在轨道上位于头部驱动总成之后，均匀分布于直线段上。
14.一种管道最小弯曲半径的测量装置的使用方法，包括以下步骤：
15.第一步，将头部驱动总成滑动到双层卷曲轨道总成轨道直线段与等速螺线交点位置，将7个软管固定锁具总成滑动使之均匀分布在双层卷曲轨道总成轨道直线段上，位于头部驱动总成之后。之后将软管头部采用绳索固定在头部驱动总成的弧形托板14上，软管头部之后固定在均匀分布的软管固定锁具总成的弧形托板14上。整个软管固定好后，固定软管的位置包括头部驱动总成和软管固定锁具总成与软管固定的八个位置，可参考图1。在固定的八个位置，每两个位置的中间贴两个应变片，一个贴于沿管道环向朝向双层卷曲轨道总成轨道一侧，另一个贴于沿管道环向且与第一个贴片位置成180
°
位置一侧。整个管道上共贴14个应变片。
16.第二步，头部驱动总成通过底部电刷片5通电，头部驱动总成的电动机7工作，驱动两个头部齿轮6在齿轮轨道4上转动，带动头部工型传动杆15和弧形托板14沿着齿轮轨道4向前移动，弧形托板14上固定的软管头部被拉动。软管头部之后的位置被软管固定锁具总成固定双层卷曲轨道总成轨道上，也会被随之拉动向前移动。随着移动的进行，双层卷曲轨道弯曲半径逐渐减小。具体的：
17.头部驱动总成中电刷片5通电，电刷滚轮9接触电刷片5，通过电线架8中的电线将电传送到电动机7上，电动机7带动头部齿轮6转动，头部齿轮6沿着齿轮轨道4向前缓慢移动，推动头部工型传动杆15向前移动。头部工型传动杆15另一侧通过头部轴承17连接的头部滚轮16向前移动，使其沿着滚轮轨道3向前移动。头部工型传动杆15连接的弧形托板14向前移动，弧形托板14上固定的软管头部被拉动。软管头部之后的7个软管固定锁具总成由于与软管固定被拉动。带动软管固定锁具总成上的弧形托板14移动，与弧形托板14连接的工型传动杆12被带动。与工型传动杆12连接的滚轮13沿着滚轮轨道3滚动，与工型传动杆12连接的齿轮10与沿着齿轮轨道4滚动。
18.第三步，将头部驱动总成位置命名为
①
，7个软管固定锁具总成距离头部驱动总成由近到远位置分别命名为
②
、
③
、
④
、
⑤
、
⑥
、
⑦
、
⑧
。每两个序号位置之间存在两个应变片，即沿软管环向朝向双层卷曲轨道总成轨道一侧的应变片，称为内测应变片；和沿软管环向且与第一个贴片位置成180
°
位置的应变片，称为外测应变片。随着软管弯曲半径越来越小，每个贴片位置都将会逐渐发生屈服。共包括14个应变片，将14个应变片的数据传到电脑显示设备上，观察随着软管弯曲半径变小各应变片位置的应变情况，当某个应变片传回的应变数值大于管道材料的屈服应变，则认为管道发生了破坏，记录此时应变片对应位置处的弯曲半径值。14个应变片逐步发生屈服后，与之对应的共记录14个弯曲半径值。将所有内测应变片测得屈服时的7个弯曲半径取平均值，所有外测应变片测得屈服时的7个弯曲半径取平均值，两个平均值的较小值即为软管的最小弯曲半径。
19.本发明的有益效果为：
20.通过一次试验就可以测出多个位置处最小弯曲半径值，平均后的数据更加准确。并且试验操纵简便，完成软管初始位置绑定并贴上应变片即可逐步得到数据。
附图说明
21.图1为最小弯曲半径测量装置三维斜视图；
22.图2为轨迹线为等速螺线的双层卷曲轨道总成俯视图
23.图3为双层卷曲轨道总成横截面图；
24.图4为头部驱动总成，(a)内测视角(b)外侧视角；
25.图5为软管固定锁具总成，(a)内测视角(b)外侧视角；
26.图6为头部驱动总成和软管固定锁具上部结构；
27.图7软管固定锁具总成弧形托板结构；
28.图中：1上层板；2下层板；3滚轮轨道；4齿轮轨道；5电刷片；6齿轮；7电动机；8电线架；9电刷滚轮；10齿轮；11轴承；12工型传动杆；13滚轮；14弧形托板；头部工型传动杆15，头部滚轮16，头部轴承17。
具体实施方式
29.为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明进行详细阐述。
30.一种管道最小弯曲半径的测量装置，包括双层卷曲轨道总成、头部驱动总成、软管固定锁具总成。
31.所述的双层卷曲轨道总成包括上层板1、下层板2、滚轮轨道3、齿轮轨道4。所述上
层板1、下层板2为双层卷曲轨道总成的主体结构，上层板1和下层板2断面轮廓线为共心的圆弧。所述的上层板1和下层板2的两个端部通过连接板进行连接，即上层板1、下层板2和两端的板件构成一个四面封闭、具有弧度的中空条状结构。所述的上层板1中间位置设有缝隙，临近中部缝隙的位置处安装滚轮轨道3、齿轮轨道4，与上层板1中心缝隙相邻的上侧设有左右对称的滚轮轨道3，与缝隙相邻的下侧设有左右对称的齿轮轨道4，上层板1的中部缝隙为滚轮轨道3的轨迹线。所述的上层板1和下层板2的两端连接板上刻有弯曲半径值。所述的滚轮轨道3的轨迹线在初始一段较长的距离为直线，中心内部为等速螺线，方程为ρ＝αθ，该曲线从中心沿轨迹线长度方向曲率半径越来越大，中心曲线段曲率半径最大的一端和直线一端采用一段与两线端部相切的曲线连接，使得曲线平滑过渡。所述的上层板1靠近中间缝隙处的板厚度变大，在变化位置处设有板件进行支撑，即该板件位于双层卷曲轨道总成内部，连接上层板1、下层板2。
32.所述的头部驱动总成用于带动整个软管缓慢向前移动，其包括电刷片5、头部齿轮6、电动机7、电线架8、电刷滚轮9、弧形托板14、头部工型传动杆15、头部滚轮16、头部轴承17。所述的两个齿轮轨道4的外侧均设有电刷片5。所述的电动机7中心轴处伸出两个转轴，两转轴分别连接左右头部齿轮6，两个头部齿轮6与两个齿轮轨道4配合。所述的电动机7机身中部：在齿轮轨道4一侧安装电线架8，在齿轮轨道4背面安装头部工型传动杆15，具体的：所述的电动机7临近齿轮轨道4侧的机身中部与类“t形”电线架8的短轴连接，t形电线架8的长轴横放于两个齿轮轨道4上方，其两端各安装一个与电刷片5接触的电刷滚轮9，即短轴一端与电动机7机身中部固接，另一端与长轴中部固接。所述的电线架8用于给电动机7供电，电动机7通电后带动两个头部齿轮6转动。所述的电动机7机身中部通过头部工型传动杆15与头部轴承17和弧形托板14连接。具体的：头部工型传动杆15的横梁两端通过头部轴承17与头部滚轮16连接，两个滚轮在滚轮轨道3移动。
33.所述的软管固定锁具总成包括齿轮10、轴承11、工型传动杆12、滚轮13、。所述的齿轮10与底面齿轮轨道4咬合，两个齿轮10的轴线处各设有一个轴承11，工型传动杆12的下横杆安装在两个轴承11之间。所述的工型传动杆12的上横杆端部连接两个滚轮13，之间的连接方式同样采用轴承11。所述的工型传动杆12的上方设有接弧形托板14，工型传动杆12和弧形托板14之间由三根短杆焊接成一体，弧形托板14上设有左右对称的几组绳索绑定接头，用来绑定绳索两端。所述的电线架8的短轴为斜向下的方形管，长轴为水平的圆形管，电线从中穿过，连接到电刷滚轮，电线架结构焊接而成。
34.如图1所示，将软管固定锁具总成均匀放置在滑道上，并将软管放置到锁具总成弧形托板14上，通过固定装置将软管固定在均匀分布的弧形托板上。如图5所示在两个绑线之间位置处圆管朝向托板一侧贴上应变片，沿管道轴线方向下一个位置处应变片贴在托板反向一侧，依次贴在整个圆管处。
35.对装置进行通电，电流沿着电刷片5及电线架8内的电线连接到电动机7上。与电动机7相连的工型传动杆12将带动与其相连的首部位置的弧形托板14上。首部弧形托板拉动整个软管沿着轨道前进。观测各位置处的应变片所输出的数值，当达到材料屈曲应变时，记录此应变片所在的弯曲半径值处。
36.所有应变片的数据得出后，将贴在背离托板位置处应变片测得的弯曲半径取平均值，将贴在近托板处应变片测得的弯曲半径取平均值，两者的最小值即为软管的最小弯曲
半径。
37.以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，为测量简便，还可对材料应变值测量方法进行更改，例如改为光纤测量应变值。但不可否认，该方法提出了一种单次定量测量弯曲半径的新理念，极大简化了测试流程。